產(chǎn)品技術(shù)分享 | 高功率諧振電路中，MLCC的選擇標(biāo)準(zhǔn)和注意事項(xiàng)
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本文介紹適用于汽車(chē)OBC、無(wú)線電力傳輸和服務(wù)器中的諧振電路的高壓低損耗多層陶瓷電容器（MLCC），詳細(xì)闡述近年來(lái)在高功率LC和LLC諧振電路中使用這些電容器的特性和選擇標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵字
1、高功率電源系統(tǒng)市場(chǎng)趨勢(shì)
近年來(lái)，在高功率電源系統(tǒng)中，諧振電路的應(yīng)用越來(lái)越多。
LLC諧振電路大范圍用于100W及以上的高效率電源中，例如EV和PHV（電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)）的車(chē)載OBC、服務(wù)器電源和用于大型設(shè)備的電源中，采用率預(yù)計(jì)超過(guò)90%。
此外，在無(wú)線功率傳輸（WPT）中，LC諧振電路用于傳輸和接收大量電力。配備WPT的產(chǎn)品不僅用于智能手機(jī)和平板電腦等小型設(shè)備，還用于汽車(chē)和制造過(guò)程中的運(yùn)輸機(jī)器人等大型產(chǎn)品中。
高功率電源系統(tǒng)中諧振電路越來(lái)越普遍，需要用到容量更大、損耗更低的諧振電容器。
雖然多種類(lèi)型的諧振電路（如LC和LLC諧振電路）變得越來(lái)越普遍，但處理大量功率的諧振電容器（諧振電路中使用的電容器）需要具有10nF或更大的穩(wěn)定電容和低損耗性能。
過(guò)去，薄膜電容器是唯一可用的選擇，如今多層陶瓷電容器因其多樣化的優(yōu)點(diǎn)而成為主流。尤其對(duì)于需要高功率密度的諧振電路來(lái)說(shuō)，多層陶瓷器是其首選。
這篇技術(shù)文章中，我們解釋使用多層陶瓷電容作為諧振電容器的好處，并介紹其特性、使用時(shí)的注意事項(xiàng)、選擇時(shí)的考慮因素和村田產(chǎn)品陣容。
2、大功率諧振電路中的諧振電容器
這里，我們分三種情況來(lái)討論。
2.1
高電壓諧振電路
在處理高電流的產(chǎn)品（如車(chē)載WPT）中使用的諧振電路中，施加到電容器的電壓V（p-p）可能非常高，范圍從數(shù)百伏（p-p）到1萬(wàn)伏（p-p），在某些情況下可達(dá)1萬(wàn)伏（p-p）。由于多層陶瓷電容器的額定電壓為630Vdc或1000Vdc，因此需要串聯(lián)電容器以確保在高電壓下工作時(shí)，使該V（p-p）保持在額定電壓范圍內(nèi)。
由于電容器串聯(lián)時(shí)組合電容會(huì)減小，因此須通過(guò)并聯(lián)來(lái)確保所需的電容。
因此，諧振電容器越來(lái)越多地用于多串聯(lián)和多并聯(lián)連接，并且需要具有更小安裝面積的產(chǎn)品。
2.2
高諧振頻率的諧振電路
在汽車(chē)市場(chǎng)，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)WPT的諧振頻率固定為85kHz，但用于EV和PHV OBC，諧振頻率因制造商而異，范圍從60kHz到400kHz。在這些應(yīng)用中，高頻高壓被施加到電容器上，容易增加其自熱。
因此，諧振電容器需要具有更低的損耗，并抑制長(zhǎng)期使用過(guò)程中自發(fā)熱的增加。
2.3
MLCC .vs. 薄膜電容器
與薄膜電容器相比，多層陶瓷電容器具有更高的最高工作溫度和更低的發(fā)熱，因此具有優(yōu)異的長(zhǎng)期可靠性。
此外，對(duì)于具有相同電容的產(chǎn)品，它們的特點(diǎn)是體積更小，ESL更低。
由于這些特點(diǎn)，多層陶瓷電容器在大功率諧振電路中被大范圍用作諧振電容器。
多層陶瓷電容器的特性
安裝面積（體積）小
低發(fā)熱（低ESR）
低ESL
出色的長(zhǎng)期可靠性
最高工作溫度高
3、中高壓、低損耗MLCC方案
如上所述，高功率諧振電路（如汽車(chē)用WPT和電動(dòng)汽車(chē)和PHV用OBC）需要具有低損耗和不易產(chǎn)生自熱的諧振電容器。為了滿(mǎn)足對(duì)諧振電容器的需求，Murata提供了一系列額定電壓為630Vdc和1000Vdc且使用低損耗材料的中高壓多層陶瓷電容器。
工作溫度范圍 | ?55～+125°C | ?55～+125°C |
溫度范圍 | C0G(EIA):0±30ppm/°C (25～125°C) | C0G(EIA):0±30ppm/°C (25～125°C) |
村田方案中的元件主要規(guī)格參數(shù)
產(chǎn)品分為兩種類(lèi)型：標(biāo)準(zhǔn)型片式和帶金屬端子型片式陶瓷電容（見(jiàn)上表）。
金屬端子類(lèi)型可以通過(guò)連接金屬端子將大型芯片（5750M 尺寸）堆疊成兩層，這不僅減少了安裝面積，還有助于降低汽車(chē)市場(chǎng)中令人擔(dān)憂(yōu)的“焊料開(kāi)裂”風(fēng)險(xiǎn)。由于電容器串聯(lián)時(shí)組合電容會(huì)減小，因此須通過(guò)并聯(lián)來(lái)確保所需的電容。
內(nèi)置諧振電路的車(chē)載OBC、服務(wù)器電源和大型設(shè)施電源等大型產(chǎn)品由于使用時(shí)間長(zhǎng)，因此需要電容器的長(zhǎng)期可靠性。對(duì)于這些多層陶瓷電容器，在連續(xù)使用的情況下，目標(biāo)壽命為10年。
4、選擇諧振電容器要注意什么？
包括上述介紹的產(chǎn)品在內(nèi)，在選擇諧振電路中使用的電容器（諧振電容器）時(shí)，需要注意一些事項(xiàng)。在大功率應(yīng)用中，諧振電容器的選擇不正確可能導(dǎo)致設(shè)備冒煙或起火。這也適用于多層陶瓷電容器，它們具備低發(fā)熱量和長(zhǎng)期可靠性；因此，必須在充分考慮其特性后進(jìn)行選擇。
我們將解釋兩個(gè)我們認(rèn)為特別重要的項(xiàng)目：“電容器的自加熱”和“電壓偏離曲線”。
起火圖片(此圖用于圖示)
我們將解釋兩個(gè)我們認(rèn)為特別重要的項(xiàng)目：“電容器的自加熱”和“電壓偏離曲線”。
4.1
自熱限制
在高功率應(yīng)用中使用的諧振電容器在施加電壓后立即產(chǎn)生初始熱量后，自發(fā)熱增加。即使在多層陶瓷電容器中，自發(fā)熱的增加也是不可避免的，但在目標(biāo)使用壽命（例如10年）內(nèi)，應(yīng)避免電壓和頻率條件超過(guò)125°C的最高工作溫度（下圖）。
電容器表面溫度的變化
Murata的多層陶瓷電容器將允許電壓Vdc定義為電容器表面溫度在其目標(biāo)壽命期間達(dá)到最高工作溫度125°C的電壓。在選擇電容器時(shí)，施加的電壓V（p-p）必須保持在該允許電壓內(nèi)。
對(duì)于每個(gè)項(xiàng)目，我們?cè)O(shè)置了根據(jù)頻率顯示允許電壓的“電壓偏離曲線”（見(jiàn)下圖），并在網(wǎng)站上的產(chǎn)品規(guī)格和規(guī)格表中提供了詳細(xì)說(shuō)明。
基于自加熱評(píng)估的允許電壓曲線設(shè)置
4.1
允許電壓的限制
這里是我們對(duì)允許電壓和頻率之間關(guān)系的看法。上圖所示的“電壓折損曲線”概括了為每個(gè)項(xiàng)目設(shè)置的允許電壓圖，根據(jù)頻率范圍可分為三個(gè)區(qū)域。
區(qū)域1：
頻率范圍―低于幾十kHz： 受額定電壓限制。
由于幾個(gè)10kHz或更低的低頻，電容器的自加熱是最小的，額定電壓成為允許電壓。然而，為中、高壓低損耗設(shè)計(jì)的多層陶瓷電容器在該低頻范圍內(nèi)作為諧振電容器使用的情況很少見(jiàn)。
區(qū)域2：
頻率范圍―幾十kHz到幾百kHz： 由于連續(xù)溫度升高受到限制。
施加電壓后的立即自熱在ΔT20度以?xún)?nèi)，但由于施加幾十kHz～幾百kHz的高電壓，該區(qū)域的自熱增加。無(wú)論是低損耗還是高介電常數(shù)片式電容器，我們都要求工作條件確保電容器的自加熱保持在20度ΔT內(nèi)。
在該區(qū)域，允許電壓定義為電容器表面溫度達(dá)到最高工作溫度125°C之前的目標(biāo)壽命（在這里介紹的產(chǎn)品中，目標(biāo)壽命為10年）的電壓。使用中高壓、低損耗多層陶瓷電容器作為諧振電容器的情況大多屬于這一區(qū)域。
區(qū)域3：
頻率范圍―幾百kHz或更高： 由于施加電壓后立即產(chǎn)生初始熱量而受到限制。
當(dāng)頻率進(jìn)一步增加時(shí)，施加電壓后電容器的自發(fā)熱會(huì)立即超過(guò)ΔT20度。如前所述，我們要求，無(wú)論低損耗或高介電常數(shù)貼片電容器，工作條件都應(yīng)確保電容器的自加熱保持在ΔT20度以?xún)?nèi)。即使在中、高壓低損耗多層陶瓷電容器中，允許電壓定義也是自加熱達(dá)到20度ΔT的電壓。因此，應(yīng)選擇溫度低于此閾值的產(chǎn)品。
5、諧振電路MLCC選型工具
如上所述，選擇諧振電容器需要考慮多種特性，這增加了元件選擇的難度。這可能是使快速增長(zhǎng)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步復(fù)雜化的一個(gè)因素，例如汽車(chē)OBC、服務(wù)器電源和大型設(shè)備電源。特別需要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn)：
由于施加的電壓有升高的趨勢(shì)，經(jīng)常會(huì)使用多個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)連接，因此需要計(jì)算等效電容。
有必要將單個(gè)電容器的施加電壓V（p-p）保持在“額定電壓”以下。
村田制作所開(kāi)發(fā)了一款名為“ SimSurfing ”的工具，該工具支持根據(jù)客戶(hù)的使用環(huán)境選擇最佳諧振電容器。只需輸入諧振電容器的工作電壓、溫度和所需靜電容量，該工具就能顯示最佳產(chǎn)品以及推薦的串聯(lián)和并聯(lián)連接數(shù)。該工具有助于減輕客戶(hù)在零件選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程中的負(fù)擔(dān)。
評(píng)論